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矿物生物浸出因为能够充分利用资源、低环境污染等优势,已成为矿物加工领域中发展最快、研究最为活跃的领域之一。现有搅拌式生物浸出反应器中矿物浓度一般不超过200g/L。本文为了提高生物浸出体系的矿浆浓度,设计出了新型的转鼓生物反应器。对该反应器的性能从实验方面和数值模拟方面进行了系统的研究,并与传统的搅拌罐进行了比较。主要研究内容包括：
⑴自制了转鼓生物反应器及实验平台,在转鼓生物反应器中引入微滤陶瓷膜作为气体分散装置,该膜能够有效分散气体,产生1.0 mm左右的微小气泡。转鼓生物反应器的气液传质性能良好,在固含率O.1、转速3.33 r/min、通气速率20 L/min(1.43vvm)的条件下,转鼓生物反应器的kLα为0.0697 s-1,接近搅拌罐在固含率0.1、转速548.0 r/min、通气速率5.0 L/min(1.0 vvin)条件下的kLα值(0.0703 s-1)。不通气时,转鼓生物反应器在3～6 r/min的转速下体积功耗不超过O.1W/L。用脱色法研究了转鼓生物反应器中液体的混合过程,发现反应器轴向混合过程混合效率低。采用注射器取样法研究了固体颗粒在反应器径向上的分布,对密度为4000 kg/ms、直径范围0.01～0.15mm的氧化铝颗粒,在通常通气速率(6 L/min)和通常转速(3.33 r/min)下,颗粒能够获得比较均匀的分布。表明转鼓生物反应器具有较好的气液传质性能、低功耗、固体颗粒易悬浮的特点。
⑵通过CFD模拟了不通气状态下转鼓生物反应器内的流动,发现转鼓生物反应器中液体的整体流动形成一个大漩涡,而大漩涡内部又包含2个小漩涡。挡板穿过气液界面时挡板附近液体速度较大,呈湍流状态:其它部分液体速度较小,呈层流状态。对装有Rushton桨的标准搅拌罐,模拟结果显示其轴向截面上速度矢量形成典型的双环流动结构,另外还有一个小流体环在反应器的底部。转鼓生物反应器中液相湍流动能耗散速率在空间上分布不均匀,挡板通过气液界面时挡板附近湍流动能耗散速率大。转鼓生物反应器的湍流动能耗散速率(O.9 rad/s时)远小于搅拌罐(30～80 rad/s时)。
⑶用硬球模型模拟了颗粒性质、操作参数对颗粒碰撞强度的影响。转速、颗粒密度以及颗粒大小对颗粒碰撞强度的影响较大,颗粒碰撞强度随转速、颗粒密度、颗粒半径的增大而升高。转鼓生物反应器中转速从0.3 rad/s升高到1.2 rad/s时,颗粒碰撞强度的范围从0～0.5×10-9 kg·m/s增加到0～2.0×10-9 kg·m/s；搅拌罐中桨叶转速从40 rad/s升高到100 rad/s时,颗粒碰撞强度的范围从0～0.4×10-8kg·m/s增加到0～1.4×10-8kg·m/s。在转鼓生物反应器中,不同密度的颗粒碰撞前后速度矢量差的模受颗粒密度的影响不明显。两种反应器中颗粒碰撞强度基本与颗粒体积成正比。液体粘度对转鼓生物反应器中颗粒碰撞强度的影响不明显。转鼓生物反应器中颗粒与反应器壁碰撞所产生的最大颗粒碰撞强度较相同条件下颗粒之间的最大颗粒碰撞强度大；搅拌罐中颗粒与反应器壁碰撞所产生的最大颗粒碰撞强度较相同条件下颗粒之间的最大颗粒碰撞强度小。转鼓生物反应器内的颗粒碰撞强度总体上比搅拌罐中低一个数量级,意味着转鼓生物反应器有利于保持浆态生物反应体系中微生物或酶的活性。
⑷以Al2O3颗粒模拟矿物颗粒,研究了固体颗粒浓度对细菌氧化Fe2+的影响。当固体颗粒浓度达到200 g/L后,增加搅拌罐中固体颗粒浓度导致细菌氧化Fez+过程的延滞期增加:而在转鼓生物反应器中再增加固体颗粒浓度对细菌氧化Fe2+过程没有明显影响。在转鼓生物反应器中进行生物浸出时,150 g/L矿粉+150 g/L,Al2O3和150 g/L矿粉+300 g/L Al2O3两种固体颗粒浓度下生物浸出效果接近。上述结果表明转鼓生物反应器对固体颗粒浓度较搅拌罐不敏感,可以处理高固体颗粒浓度的浆态生物反应体系。